Uwe Wilkenhöner，Wolfgang Könner

新型模塊化涂料生產(chǎn)體系在優(yōu)化工藝和調(diào)整性價比方面具有 顯著優(yōu)勢。開發(fā)出一種以半成品形式出現(xiàn)的原材料模塊，以實現(xiàn) 最大化的協(xié)同配套性，可以靈活生產(chǎn)內(nèi)外墻涂料，滿足性能要求。 該系統(tǒng)能夠使產(chǎn)品性能達到新的水平，實現(xiàn)不同批次間產(chǎn)品高度 的一致性，生產(chǎn)簡便快捷，作業(yè)環(huán)境優(yōu)化。

模塊化工業(yè)生產(chǎn)理念并不新奇。100 年前，汽車行業(yè)首次引入 該理念，如今發(fā)展到全模塊化系統(tǒng)，實現(xiàn)精準生產(chǎn)工藝。 其他行業(yè)，如電子行業(yè)，也采用該理念，在預裝模塊的基礎上安 排各種生產(chǎn)工藝。

然而，像涂料制造業(yè)這樣的行業(yè)并未跟隨這種趨勢，而是仍 采用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)。盡管許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)已經(jīng)得到了優(yōu)化，例如原 材料投料速度和總的生產(chǎn)產(chǎn)出，但生產(chǎn)工藝基本大同小異。單一 原料的依次投料和高速攪拌工藝仍然是涂料生產(chǎn)中最常見的方式。

典型的建筑涂料配方一般包括十幾種不同的原材料，所有這 些原料都需要通過物流進行運輸和庫存。根據(jù)批次的大小、自動 化程度和內(nèi)部物流（如從料倉輸送或使用袋包等）的不同，生產(chǎn) 每一批涂料實際所需的時間相當長，某種程度上超過用于分散粉 料所需的時間。單就向生產(chǎn)容器中添加粉料的工序來說，其所需 的時間就超過了分散粉料所需的時間。粉料的分散也是十分耗時、耗能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，具體與質(zhì)量要求有關(guān)。

問題最多的是粉料的使用，粉料通常是從生產(chǎn)罐的頂部加料， 這會產(chǎn)生大量粉塵，造成潛在的健康問題，使用極細的粉料（如顏 料和細填料）時更是如此。因此，必須安裝適當?shù)耐L設施來充分 保護生產(chǎn)人員。

當前"原材料供應商- 涂料配方設計師"的配置形式面臨著以 下困境：技術(shù)性能、產(chǎn)品創(chuàng)新和經(jīng)濟效率之間的平衡日漸困難。如果 涂料生產(chǎn)中使用半成品，那么就可避免所有這類問題。

出于這一原因，通過原材料供應商網(wǎng)絡開發(fā)了一系列高性能模 塊，能適用于各種應用領(lǐng)域的涂料生產(chǎn)，從而為涂料制造商創(chuàng)造了巨 大價值。

模塊化原材料理念的益處

完美的原材料匹配性

當前涂料配方中包含許多不同的原材料（在某些情況下，比 實際需求的原材料更多），它們之間會產(chǎn)生各種化學和物理的相 互作用。有時，很難追蹤每種原材料對涂料的整體性能的影響。 事實上，所有原材料之間都會出現(xiàn)相互作用（協(xié)同作用或沖突作 用），影響了涂料的制造、施工和最終性能。如果這類相互作用 已經(jīng)得到了優(yōu)化（如在一個智能化的集成模塊系統(tǒng)中），那會怎 樣呢？

產(chǎn)品性能達到新的水平

只有詳細了解原材料的化學設計，才能精確控制物理和化學 相互作用。事實上，這為大幅改善配方和涂料性能開啟了成功之門。 將原材料供應商網(wǎng)絡中的各種專業(yè)知識進行綜合，有助于開發(fā)出 原材料模塊，這是一種具有協(xié)調(diào)的化學設計的半成品，可制備出 高性能的涂料。

突出的批次間一致性

盡管聽起來像是理所當然的事，但在涂料制造領(lǐng)域中，批次 間的質(zhì)量差異是不爭的事實，且出現(xiàn)的原因多種多樣——通常是 由于很難控制某些原材料之間的相互作用造成的。因此，涂料配 方設計師和原材料供應商網(wǎng)絡之間的聯(lián)合開發(fā)不僅使得開發(fā)周期 更高效、更短，還有機會生產(chǎn)出具有穩(wěn)定的高質(zhì)量和性能優(yōu)異的 涂料。

制造過程簡便、快捷

可對所有"易加工"的模塊化配方進行調(diào)節(jié)，使不同的化學 品之間達到最佳的相互作用，從而能夠獲得最佳性能。結(jié)果，各 種原材料之間呈現(xiàn)最大的相容性，使得生產(chǎn)過程變得異常快捷和 簡便。在某些市場中（如美國），這種生產(chǎn)原理已廣泛應用多年。

形成良好的作業(yè)環(huán)境

采用模塊化原材料不僅降低了生產(chǎn)成本和單一原材料的庫存， 而且還有助于減少生產(chǎn)過程中產(chǎn)生廢物和粉塵，改善了生產(chǎn)作業(yè) 環(huán)境，無需額外投資購買安全設備。

涂料生產(chǎn)成本

就生產(chǎn)成本而言，應重點考慮整體，而不僅是某一分散裝置 的成本。生產(chǎn)過程實際成本的確定較為復雜，需要對許多工廠內(nèi) 部的過程進行深入分析［1-2］。

采用模塊化原材料系統(tǒng)有利于降低生產(chǎn)成本［3］。分散過程及 相關(guān)工藝過程的成本（例如容器中粉料的加料/卸料、廠內(nèi)物流、 倉儲、原材料運輸以及空包裝袋處理）均可省去。此外，與傳統(tǒng) 工藝相比，原材料模塊的質(zhì)量統(tǒng)一、穩(wěn)定，免去了因返工所增加 的成本。

完全不采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝也是有可能的。只需簡單的混合設 備和各種儲罐就可以了，可能是調(diào)漆工段的儲罐或者理想狀態(tài)下 就是成品儲罐。每一個配方只需采用幾個原料模塊體系，可以實 現(xiàn)多種質(zhì)量的產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)。

具有多個原材料模塊的涂料配方

原材料模塊是由模塊化原材料網(wǎng)絡中的合作伙伴共同開發(fā) 的，關(guān)注的重點是：

1） 支持模塊化生產(chǎn)技術(shù)［4-5］。

2） 調(diào)節(jié)原材料之間的物化作用以及可能產(chǎn)生的化學反應。

通常，基料模塊應該使用匹配良好的原材料制備，如圖1所 示。不同的原材料用不同的顏色表示：紅色代表最基本的原材 料；深灰色代表具有其他功能的原材料，如調(diào)節(jié)流變、起泡或膠 體穩(wěn)定性；淺灰色原材料是根據(jù)最終使用要求可能需要的備選原 材料。

以此類推，可配置好顏/填料模塊（如圖2所示）。同樣，紅 色代表最基本的原材料；深灰色物質(zhì)確保性能要求，例如防沉淀 性、耐擦洗性、抗龜裂性和著色性；淺灰色代表其他備選配料。

最理想的情況是只要將一些液態(tài)原材料模塊通過簡單混合就 可制造涂料。通過改變各模塊之間的混合比例及使用不同性能的 原材料模塊，就能生產(chǎn)出不同性能、可應用于不同領(lǐng)域的各種涂 料。同樣，為了提高涂料性能，可以將固體顏/填料模塊與液體模 塊化原材料結(jié)合起來。涂料制造商可根據(jù)自己的專有技術(shù)和性能 要求（流變性、顏料體積濃度、色調(diào)、疏水性等）改進模塊化基 礎配方。原材料供應商網(wǎng)絡已設計了一系列模塊化半成品，用來 配制不同質(zhì)量的內(nèi)墻和外墻建筑涂料。

模塊化的內(nèi)墻涂料

可選擇將下列原材料模塊組合起來，制備3種不同質(zhì)量等級 （耐擦洗性和遮蓋力）的內(nèi)墻涂料（根據(jù)DIN EN 13300）。

水性基料模塊中采用的樹脂是專門開發(fā)的苯丙分散體。對基 料聚合物進行了改性，以便與模塊中的其他成分以及顏填料模塊 中的組分產(chǎn)生協(xié)同作用。調(diào)節(jié)了聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，無需 添加成膜助劑便可生產(chǎn)零VOC和無味的內(nèi)墻涂料。

顏/填料模塊的設計原則是要具有最大的顏料效率和遮蓋力、 良好的耐擦洗性和抗龜裂性等。簡言之，要根據(jù)顏填料的純度、形態(tài)、粒徑分布和力學性能選擇適當?shù)念佁盍希瑵M足相應的DIN EN 13300標準要求。選擇了固體顏填料的表面改性劑以及分散和 穩(wěn)定的助劑，使其與基料模塊實現(xiàn)最大程度的相容。優(yōu)化了助劑 用量，使其與基料模塊中的助劑相匹配，使得聚合物性能達到最 佳。表1顯示3種內(nèi)墻涂料（基本級、標準級和高級）的參考配方 及結(jié)果。

模塊化外墻涂料

針對外墻涂料的特定要求，開發(fā)了采用純丙烯酸聚合物的基 料模塊。該聚合物的各種功能與模塊中的其他組分的化學和物理 性能相匹配，以實現(xiàn)良好的耐沾污性、耐久性、耐UV性、透濕率 和吸水性等。

針對外墻涂料，開發(fā)了兩種不同的顏填料模塊（遮蓋力和水 蒸氣滲透性不同）。僅需簡單地更改模塊的混合比例，就可生產(chǎn) 不同質(zhì)量的涂料。任何模塊都可與含純TiO2的模塊相組合，就可獲 得更好的遮蓋力；另外，還可改變固體模塊與基料模塊之間的比 例，可獲得更好的耐擦洗性和涂料的機械性能。

表2顯示兩種不同的外墻涂料（標準級和高級）的參考配方及 最終性能。圖3顯示了模塊化系統(tǒng)與類似涂料配方在約5年后的戶 外耐候性比較情況（根據(jù)DIN EN ISO 2810在Krefeld進行測試）。

總結(jié)

采用一系列配套性良好的原材料模塊，僅需按照不同的混合 比例將幾種原材料模塊混合，可生產(chǎn)不同性能等級的建筑涂料。 但是，模塊法也給通過選擇相應的助劑組合或其他原料，單獨設 計涂料配方留出了空間，以便獲得更低的光澤，具有良好的疏水 性、流變性、著色性或其他性能。

致謝

感謝Simon Jonas和Gregor Apitz （Alberdingk & Boley公司）、 Rüdiger Schmidt （Alpha Calcit公司）、Frank Kother （Hemmelrath Technologies公 司）以及Carsten Nagel （BYK公司）的支持與合作。

參考文獻

[1] Breucker M.. Process optimization and simulation in the coatings industry, proceedings of the ETCC 2014 (Cologne).

[2] Breucker M.. Spiel mit offenen Karten, Farbe und Lack, 06/2014, pp 50ff.

[3] Fiand U., Heinekamp C., Hemmelrath M., Manke P., Münchow D., Wiegmann T., Zakrzewski U.. Fertigungskosten und –zeiten erheblich senken, Farbe und Lack, 118, 08/2012, pp 10-11.

[4] Hohmann R., Seeger H., Klapper S.. Die modulare Lackfabrik im Kleinformat, Farbe und Lack, 117. 12/2011, pp 14-17.

[5] Hohmann R.. "The Mini-MoFa Facility" – The world's most compact paint factory on 30 m2, Proceedings of the European Coatings Congress, Nuremberg, Germany, 2013.

[6] Münchow D.. Powermediate = Powdermediate, Proceedings of the Workshop Modular Technology - Pigment Paste Production in Theory and Practice 2014, pp 35ff

結(jié)果一覽

 開發(fā)了一種涂料生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由一系列高性能的半成 品原材料模塊組成，將這些模塊組合起來，就可生產(chǎn)出具有所 需性能的涂料。

 這種模塊化原材料理念具有下列好處：協(xié)同相容性、最佳化 的整體性能、質(zhì)量更穩(wěn)定、生產(chǎn)速度更快以及生產(chǎn)環(huán)境更健康。

 分散、物流和質(zhì)量控制成本也得到了降低。

 改變原材料模塊的混合比就能夠精準地調(diào)節(jié)最終的涂料性能。  這種集成模塊可用于生產(chǎn)具有所需性能的各種內(nèi)外墻涂料。